液態金屬（LM）水凝膠作為柔性電子器件和軟體機器人領域的理想材料備受關注，但其結構過于簡單、精度有限且功能設計性不足等問題亟待解決。本研究首次實現了對三維（3D）LM水凝膠進行微米級（10 μm）精度的數字化光加工，并構建出任意復雜結構。我們開發了一種通用策略：通過用海藻酸鈉（SA）包裹液態金屬液滴來制備光固化型LM基樹脂材料。該SA涂層不僅能通過形成氫鍵和離子鍵防止墨水沉降及自聚合，還能確保墨水均勻分散并保持光固化性能。經光固化處理后的3D LM水凝膠展現出顯著提升的拉伸延展性（達2000%）和循環穩定性（在500%應變下可承受800次循環），性能遠超現有大多數3D水凝膠。此外，該材料還表現出更高的靈敏度和可調光熱響應特性，在應變傳感器、物體抓取機器人、遠程控制設備及防偽系統等領域具有廣闊應用前景。

圖1 SLM 納米顆粒的制備與表征。(a) 通過探頭超聲處理法制備 SLM 納米顆粒。(b) SLM 納米顆粒的TEM圖像。(c) Ga 2p的高分辨率 XPS 譜圖。(d) 純水中LM納米顆粒及SA溶液中 SLM 納米顆粒在7天后的粒徑分布直方圖；插圖為LM分散液的對應照片。(e) 純水中LM納米顆粒在7天后的SEM圖像。(f) SA溶液中 SLM 納米顆粒在180天后的SEM圖像。(g) 添加 SLM 或LM納米顆粒后單體溶液的流變學特性；插圖為添加 SLM 和LM納米顆粒15小時后含AM單體溶液的傾斜瓶照片。(h) 含 SLM 、LM納米顆粒及AM的水溶液的EPR譜圖。(i) Ga3?與SA、AM、水及PEG分子的結合能。(j) 氧化鎵與吸附的SA及水之間的電荷密度差。

圖2 SLM 基水凝膠的3D DLP打印工藝及力學性能。(a) 光聚合示意圖：含單體、 SLM 納米顆粒、光引發劑和交聯劑的液態前驅樹脂在受控光照下交聯形成三維打印物體。(b) PAM- SLM 水凝膠內部相互作用示意圖。(c) 前驅樹脂的流變曲線。(d) PAM- SLM 與PAM水凝膠的 FTIR 譜圖。(e) 高分辨率PAM- SLM 水凝膠的SEM圖像。(f) 大塊PAM- SLM 水凝膠截面的SEM圖像及對應的EDS分布圖。(g，h) 不同泊松比打印結構的照片。(i) 可變形龍形結構的照片。(j) 展示PAM- SLM 水凝膠壓縮特性的數字圖像。(k) 具有不同二維結構（拉伸主導晶格與彎曲主導晶格）的多材料水凝膠的3D打印結果。(l) 不同應變下拉伸PAM- SLM 水凝膠的數字圖像。(m) 不同 SLM 含量PAM- SLM 水凝膠的拉伸應力-應變曲線。(n) PAMSLM 水凝膠的彈性模量與拉伸強度。(o) 不同應變下PAM- SLM 水凝膠的加載-卸載曲線。(p) 不同應變下PAM- SLM 水凝膠的耗散能與滯后率。

圖3 不同單體制備的 SLM 基水凝膠的制備與表征。(a) HEA、 NIPAM 、HEA/ NIPAM 及AM/PAAS的分子結構示意圖。(b) 不同單體制備的 SLM 基樹脂照片。(c–f) 不同單體樹脂中 SLM 納米顆粒的粒徑分布直方圖。(g–j) 使用不同油墨制備具有梯度結構的 SLM 基水凝膠的3D打印結果。(k) 不同單體制備的 SLM 基樹脂的Zeta電位。(l) 四種 SLM 基水凝膠的拉伸應力-應變曲線；(m) 彈性模量與拉伸強度；(n) 斷裂應變及斷裂功。

圖4 PAA- SLM 水凝膠的傳感性能。(a) 不同結構的3D打印PAA- SLM 水凝膠照片。(b) 各種PAA- SLM 水凝膠結構在經歷100%拉伸應變后的照片。(c) 不同結構的PAA- SLM 水凝膠在0%至400%應變范圍內的電阻變化。(d) 本研究與近期報道的3D打印水凝膠傳感器在GF和應變方面的結果對比。(e) 3D LM水凝膠加載與卸載過程中的電阻變化。(f) 本研究的電滯回線與應變數據與近期報道的應變傳感器結果對比。(g) 在0.25、0.5和1 Hz頻率下循環拉伸/釋放過程中的電阻變化。(h) PAA- SLM 傳感器在100%應變條件下經過1000次循環后的相對電阻值。(i) 當揚聲器分別說出“LM”、“Hydrogel”和“Sensor”時，傳感器的電阻響應曲線。

圖5 多材料水凝膠的 NIR 響應性4D打印。(a)展示3D打印 PNIPAM -SLM1水凝膠在激光照射下的形狀收縮過程及冷卻后的形狀恢復。(b)不同 SLM 含量的3D打印水凝膠在 NIR 光照射下的光熱效應隨時間變化。(c)不同光照強度下 PNIPAM -SLM1水凝膠在 NIR 光下的溫度變化。(d) PNIPAM -SLM1水凝膠經過20次循環后的光熱響應表現。(e)具有 NIR 誘導4D響應及冷卻恢復特性的多材料水凝膠結構示意圖與圖像：上層為 NIR 響應型 PNIPAM -SLM1水凝膠，下層為非響應型PAM水凝膠。(f)三種不同結構 PNIPAM -SLM1水凝膠的 NIR 響應速度對比。(g)4D打印花朵在 NIR 光下彎曲的實驗照片。(h) NIR 光對3D打印材料形狀變形的可控調控。(i) NIR 響應型水凝膠釋放物體的演示。(j)柔性超級電容器的光熱調控示意圖。(k)超級電容器經光熱形變前后的循環伏安曲線。（l，m）十字形水凝膠實現LED遠程控制的演示。

圖6 用于密碼顯示裝置的一步式3D打印多材料水凝膠。(a) 展示八進制編碼的光熱誘導4D打印水凝膠的示意圖、照片及紅外熱成像圖像。(b) 將16位八進制編碼轉換為3D打印結構的示意圖。(c) 密碼驗證過程的示意圖：該多材料水凝膠在 NIR 光照射下，要么保持原始形狀（表示驗證失?。?，要么彎曲成螺旋形（表示驗證成功）。(d) 多材料水凝膠經加密存儲后的高分辨率照片。(e) 4D信息加密與驗證過程示意圖：多材料水凝膠包含信息區域和驗證區域；信息區域可通過 NIR 光讀取，驗證區域經切割后可持續驗證信息區域的有效性。

Advanced Materials, 2026; 0:e73495

https://doi.org/10.1002/adma.73495